JP2009095724A - 紫外線消毒装置 - Google Patents

Abstract

【課題】誘電体容器の表面温度を一定温度以下に調整可能であって、小型化が可能でかつ構造が簡単な紫外線ランプを有する紫外線消毒装置を提供することにある。
【解決手段】紫外線光４の透過可能な誘電体容器２に収納されたエキシマランプを紫外線光源とする紫外線消毒装置１０において、誘電体容器２の表面温度を一定温度以下に調整して紫外線透過率を維持するための冷却用ファン７を装置本体１の外部に配置させる構成である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、紫外線光を照射して、対象物の消毒を行なうための紫外線消毒装置に関する。

従来、例えば上下水道の殺菌、消毒、脱色の処理や、工業用水の脱臭、脱色の処理、パルプの漂白処理、あるいは医療機器の殺菌処理等を行なうために、対象物に対して紫外線光を照射する紫外線消毒装置が普及している。

一般的に、紫外線消毒装置は、紫外線光を発生する紫外線光源として、水銀ランプやエキシマランプを使用している（例えば、特許文献１を参照）。水銀ランプは、波長が２５４nmや１８５nmの紫外線光を発生する。エキシマランプは、キセノンを励起媒質とした場合には、波長が１７２nmの紫外線光を発生する。

また、エキシマランプは、クリプトンとフッ素の混合ガス、あるいはキセノンとホウ素（Ｂｒ）の混合ガスを励起媒質とした場合には、それぞれ、波長が２４８nm、２８３nmの紫外線光を発生する。さらに、エキシマランプは、キセノンとヨウ素（Ｉ）の混合ガスを励起媒質とした場合には、波長が２５３nmの紫外線光を発生する。

ところで、対象物が上下水道や工業用水などの処理水を消毒を行なう紫外線消毒装置では、処理水中で、照射された紫外線光の強度が低下しない波長２３０nm〜３００nmの紫外線光を発生する光源が用いられる。このような紫外線消毒装置では、紫外線ランプの発光部が誘電体容器に収納された構造が用いられている（例えば、特許文献２を参照）。

誘電体容器は、紫外線透過率が８０（%/mm）以上で、不純物の含有率が低く純度の高い石英ガラス材が用いられている。石英ガラス材は、表面温度が１１００Ｋ以上の温度に到達しても、波長２３０nm〜３００nmの紫外線光の紫外線透過率が大きく変化しない特長を備えている。

一方、石英ガラス材の整形加工温度は１５００℃以上もの高温であると共に、内部歪を残さないためのアニーリング工程（冷却工程）に８時間以上もかかるため、石英ガラス材の加工処理は困難である。これに対して、ヒューズドシリカ（fused silica）などの耐熱ガラス材は、石英ガラス材と比較して、加工処理が容易である。しかしながら、このような耐熱ガラス材は、室温では、波長が２３０nm〜３００nmの紫外線光の透過率が８０（%/mm）以上であるが、特に紫外線光の発生効率（紫外線出力/放電入力）が５０％以下の紫外線消毒装置内に設置された場合、紫外線透過率が低下することが確認されている。これは、紫外線光の発生ロス分が熱に変換されて、耐熱ガラス材の表面温度が上昇するためと考えられる。要するに、紫外線ランプの誘電体容器の表面温度が上昇すると、紫外線透過率が低下し、これにより、紫外線発生効率が高い場合でも、処理水への紫外線照射効率が低下する。
特開２００１−１１３１６２号公報 特開２００２−９３３７７号公報

前述したように、紫外線ランプの誘電体容器の表面温度が上昇すると、紫外線透過率が低下し、これにより、紫外線発生効率が高い場合でも、処理水への紫外線照射効率が低下する。このような点を解決するために、前述の特許文献２に開示されているように、誘電体容器の表面温度を低下させるための冷却機器を配置させる構造が提案されている。しかしながら、冷却機器を誘電体容器の表面に密着配置させる構造では、紫外線ランプの大型化と構造の複雑化を招く問題がある。

本発明の目的は、誘電体容器の表面温度を一定温度以下に調整可能であって、小型化が可能でかつ構造が簡単な紫外線ランプを有する紫外線消毒装置を提供することにある。

本発明の観点は、紫外線の透過可能な誘電体容器に収納されたエキシマランプを紫外線光源とする紫外線消毒装置において、誘電体容器の表面温度を一定温度以下に調整して紫外線透過率を維持し、小型化が可能でかつ構造の簡単な紫外線ランプを有する構成の紫外線消毒装置である。

本発明の観点に従った紫外線消毒装置は、紫外線光源としてエキシマランプを収納し、前記エキシマランプから発生する紫外線光を透過可能な誘電体容器と、前記紫外線光により消毒する対象物を導入する導入部と、前記誘電体容器の表面と前記対象物とを遮断し、前記紫外線光を透過可能な保護部材と、前記誘電体容器の表面と前記保護部材との間に冷却用気体または冷却水を供給して、紫外線透過率を維持するために前記誘電体容器の表面温度を一定温度以下に調整する温度調整手段とを備えた構成である。

本発明によれば、誘電体容器の表面温度を一定温度以下に調整可能であって、小型化が可能でかつ構造が簡単な紫外線ランプを有する紫外線消毒装置を提供することができる。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。

［紫外線消毒装置の構成］
図１は、本実施形態に関する紫外線消毒装置の要部を示す断面構成図である。

本装置１０は、図１に示すように、装置本体である紫外線照射リアクタ１と、このリアクタ１に結合された付属部９とを有する。付属部９には、紫外線ランプから紫外線光４を発光させるための電源３、及び後述する冷却用ファン７が設けられている。

紫外線照射リアクタ１は、紫外線ランプを収納している誘電体容器２、及び誘電体容器２の周囲を保護するための保護管５を有する。即ち、誘電体容器２は、保護管５の内部に収納されている。ここで、便宜的に、図示しない紫外線ランプを含む誘電体容器２を、紫外線ランプと表記する場合がある。

紫外線ランプは、例えばキセノン（Ｘｅ）とホウ素（Ｂｒ）の混合ガスを励起媒質とするエキシマランプである。紫外線ランプは、電源３より印加された電圧により放電が点弧し、この放電によりプラズマが発生し、２８３nmの紫外線光４を発生する。このエキシマランプは、図２（Ｃ）に示すように、波長と強度との関係による発光分布特性を備えており、例えば細菌、ウィルス、バクテリアなどを不活性化させる消毒特性を有する。

なお、エキシマランプは、励起媒質である混合ガスの種類により、図２（Ａ）〜（Ｆ）に示すような発光分布特性を有する。例えば、クリプトン（Ｋｒ）と塩素の混合ガスを励起媒質とするエキシマランプは、波長２２２nmをピークとする図２（Ａ）に示すような発光分布を備えている。さらに、キセノンと塩素の混合ガスを励起媒質とするエキシマランプは、波長３０８nmをピークとする図２（Ｂ）に示すような発光分布を備えている。さらにまた、キセノンとヨウ素（Ｉ）の混合ガスを励起媒質とするエキシマランプは、波長２５３nmをピークとする図２（Ｄ）に示すような発光分布を備えている。また、クリプトンとフッ素（Ｆ）の混合ガスを励起媒質とするエキシマランプは、図２（Ｅ）に示すような発光分布を備えている。さらに、低圧水銀ランプは、波長２５４nmをピークとする図２（Ｆ）に示すような発光分布を備えている。

誘電体容器２は、耐熱ガラス材または硬質ガラス材からなり、エキシマランプから発生する紫外線光４を透過して外部に照射させる。保護管５は、処理対象である処理水６を遮断するための部材であり、誘電体容器２からの紫外線光４を透過する。

紫外線照射リアクタ１は、処理水６を流入（導入）するための流入部１６ａ、及び紫外線光４が照射された処理水６を流出するための流出部１６ｂを有する。処理水６は、例えば上下水道において殺菌や消毒などの処理を行なうべき上下水である。処理水６は、紫外線照射リアクタ１に導入されることにより、紫外線ランプから発生される紫外線光４が照射される。これにより、処理水６は殺菌や消毒処理されて、処理水６に含まれる細菌、ウィルス、バクテリアなどが不活性化されることになる。

本実施形態では、冷却用ファン７が設けられている。冷却用ファン７は、保護管５の内部に冷却用空気８を供給する。即ち、冷却用ファン７は、冷却用空気８を送ることにより、誘電体容器２の表面上を冷却し、表面温度の上昇を抑制する。冷却用空気８は、紫外線照射リアクタ１に設けられた排気口１５から外部に排気されるように構成されている。

（作用効果）
誘電体容器２は、前述したように、耐熱ガラス材または硬質ガラス材からなり、エキシマランプから発生する紫外線光４を透過する特性を有する。具体的には、誘電体容器２は、例えばヒューズドシリカ（fused silica）と呼ばれる種類の耐熱ガラス材である。この耐熱ガラス材質は、常温において、図３に示すように、紫外線光の波長に対する紫外線透過率の特性（３０）を示す。なお、図３は、耐熱ガラス材質の種類（quartz glass, UV transmitting softglass, doped fused quartz glass）のそれぞれに対応する紫外線透過率の特性（３１〜３３）を示す。さらに、図４は、耐熱ガラス材質の具体例として、例えばホウケイ酸ガラスの種類（例えばSCHOTT社の型式８３３７Ｂ，８４０５）に対応する紫外線透過率の特性（４０，４１）を示す。

紫外線照射リアクタ１では、流入部１６ａから処理水６が導入されると、紫外線ランプから発生される紫外線光４が、誘電体容器２及び保護管５を透過して、処理水６に照射される。これにより、処理水６は、殺菌や消毒などの処理がなされて、流出部１６ｂから外部に流出される。

誘電体容器２を構成するガラス材は、図５及び図６に示すように、表面温度が上昇したときに、紫外線光の波長に対する紫外線透過率の特性が変化する。図５は、ガラス材として、合成石英ガラスの表面温度と紫外線透過率の特性変化を示す図である。また、図６は、ガラス材として、前述のホウケイ酸ガラスの表面温度と紫外線透過率の特性変化を示す図である。

図５及び図６に示す紫外線透過率の特性変化から、一般的に、紫外線光の同一波長において、誘電体容器２の表面温度が上昇すると、紫外線透過率が低下することが確認できる。誘電体容器２の紫外線透過率が低下すると、処理水６に対する紫外線照射量が低下し、紫外線消毒の効率や効果の低下を招くことになる。

そこで、本実施形態では、図１に示すように、紫外線照射リアクタ１に対して、冷却用ファン７から保護管５の内部に、冷却用空気８が供給されるように構成されている。冷却用空気８は、誘電体容器２の表面上を流れて、紫外線照射リアクタ１に設けられた排気口１５から外部に排気される。

これにより、誘電体容器２の表面温度の上昇は抑制されて、誘電体容器２の表面温度はある温度以下に維持することが可能となる。従って、誘電体容器２の紫外線透過率が、表面温度の上昇により低下するような事態を未然に回避することができる。従って、処理水６に対する所定の紫外線照射量を維持し、紫外線消毒の必要な効率や効果を得ることができる。

具体的には、例えばキセノンとホウ素の混合ガスを励起媒質とするエキシマランプでは、波長２８３ｎｍの紫外線光４を発生する。ここで、誘電体容器２の耐熱ガラス材として、ホウケイ酸ガラス（例えばSCHOTT社のBOROFLOAT33）が使用されている場合には、その表面温度が約１００℃以下に維持されていれば、表面温度の変化による紫外線透過率の低下を防止することができる。なお、当然ながら、誘電体容器２の表面温度による紫外線透過率は、エキシマランプから発生する紫外線光の波長（励起媒質により異なる）と、誘電体容器２の材質により異なる。

以上のように本実施形態の紫外線消毒装置１０であれば、エキシマランプを収納した誘電体容器２からなる紫外線ランプから発生する紫外線光４を、誘電体容器２と保護管５を透過させて、処理水６に対して照射する。この場合、誘電体容器２の表面上に冷却用空気８を流すことにより、誘電体容器２の表面温度の上昇を抑制して、ある温度以下に維持することが可能となる。従って、誘電体容器２の紫外線透過率が、表面温度の上昇により低下するような事態を未然に回避することができるため、処理水６に対する所定の紫外線照射量を維持し、紫外線消毒の必要な効率や効果を得ることができる。

本実施形態の構成であれば、誘電体容器２の表面上を冷却するための冷却用ファン７は、紫外線消毒装置１０の本体である紫外線照射リアクタ１の外部（付属部９）に配置させることができる。即ち、誘電体容器２の表面上を、冷却用空気８を流すことができる間隔があればよい。従って、紫外線照射リアクタ１が大型化し、誘電体容器２の周囲の構造が複雑化することもない。換言すれば、誘電体容器２の周囲に冷却装置などを設ける必要はないため、紫外線照射リアクタ１の相対的な小型化かつ構造の簡単化を実現することができる。

なお、本実施形態では、誘電体容器２の表面温度の上昇を抑制して、紫外線透過率の低下を防止するための構成について説明したが、保護管５についても十分な紫外線透過率が必要である。しかしながら、保護管５は、図１に示すように、その表面上を処理水６が流れる構造である。このため、保護管５については、表面温度が上昇して、紫外線透過率が低下するような事態が起こり難いことが予想される。

（変形例）
本実施形態は、冷却用ファン７からの冷却用空気８を供給することにより、誘電体容器２の表面温度を抑制する構成であり、いわば直接空冷方式である。本実施形態の変形例として、付属部９に冷却水を供給するための冷却装置が設けられて、この冷却装置から保護管５の内部に、冷却水が供給されるような構成でもよい。冷却水は、誘電体容器２の表面上を流れることにより、誘電体容器２の表面温度を抑制することができる。即ち、誘電体容器２の表面上を、冷水により直接的に冷却する直接水冷方式である。

また、別の変形例としては、誘電体容器２の表面上を、直接的に冷却する直接空冷方式や直接水冷方式ではなく、例えば保護管５の外部から、冷却用空気や冷却水により冷却する間接空冷方式や間接水冷方式でもよい。これにより、誘電体容器２の表面温度を抑制することができる。

さらにまた別の変形例としては、処理水６を冷却水として利用する間接水冷方式でもよい。この方式は、図１に示すように、紫外線照射リアクタ１の流入部１６ａから導入した処理水６を、保護管５の表面の全面に流れるような構造により、保護管５を介して間接的に誘電体容器２の表面上を冷却する構成である。これにより、誘電体容器２の表面温度を抑制することができる。

以上要するに、本実施形態及び変形例によれば、誘電体容器の表面温度が一定温度以下に維持されるように、直接空冷方式、直接水冷方式、間接空冷方式、間接水冷方式、あるいは処理水を冷却水として利用する間接水冷方式により、誘電体容器２の表面温度を抑制することができる。従って、誘電体容器２の表面温度の上昇に伴う紫外線透過率の低下を回避し、処理水の殺菌や消毒処理に必要な十分な紫外線量を維持することができる。これにより、効率的かつ効果的に、紫外線消毒処理を実現することができる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の実施形態に関する紫外線消毒装置の要部を示す断面構成図。 本実施形態に関するエキシマランプの発光分布特性を示す図。 本実施形態に関する誘電体容器の紫外線透過率の特性を示す図。 本実施形態に関する誘電体容器の紫外線透過率の特性を示す図。 本実施形態に関する誘電体容器において表面温度に対する紫外線透過率の特性の変化を示す図。 本実施形態に関する誘電体容器において表面温度に対する紫外線透過率の特性の変化を示す図。

符号の説明

１…紫外線照射リアクタ、２…誘電体容器、３…電源、４…紫外線光、
５…保護管、６…処理水、７…冷却用ファン、８…冷却用空気、９…付属部、
１０…紫外線消毒装置、１５…排気口、１６ａ…流入部、１６ｂ…流出部。

Claims (6)

1. 紫外線光源としてエキシマランプを収納し、前記エキシマランプから発生する紫外線光を透過可能な誘電体容器と、
   前記紫外線光により消毒する対象物を導入する導入部と、
   前記誘電体容器の表面と前記対象物とを遮断し、前記紫外線光を透過可能な保護部材と、
   前記誘電体容器の表面と前記保護部材との間に冷却用気体または冷却水を供給して、紫外線透過率を維持するために前記誘電体容器の表面温度を一定温度以下に調整する温度調整手段と
   を具備したことを特徴とする紫外線消毒装置。
2. 前記温度調整手段は、
   冷却用空気を前記誘電体容器の表面と前記保護部材との間に送風する手段を有し、前記誘電体容器の表面温度を一定温度以下に調整する構成であることを特徴とする請求項１に記載の紫外線消毒装置。
3. 前記温度調整手段は、
   前記誘電体容器の表面と前記保護部材との間に冷却水を供給する手段及び当該冷却水を外部に排水する手段を有し、前記誘電体容器の表面温度を一定温度以下に調整する構成であることを特徴とする請求項１に記載の紫外線消毒装置。
4. 前記温度調整手段は、
   前記誘電体容器の表面と前記冷却用空気とは遮断された状態で、前記冷却用空気を前記誘電体容器の表面上の近傍に供給することにより、前記誘電体容器の表面温度を一定温度以下に調整する構成であることを特徴とする請求項２に記載の紫外線消毒装置。
5. 前記温度調整手段は、
   前記誘電体容器の表面と前記冷却水とは遮断された状態で、前記冷却水を前記誘電体容器の表面上の近傍に供給することにより、前記誘電体容器の表面温度を一定温度以下に調整する構成であることを特徴とする請求項３に記載の紫外線消毒装置。
6. 紫外線光源としてエキシマランプを収納し、前記エキシマランプから発生する紫外線光を透過可能な誘電体容器と、
   前記紫外線光により消毒するための処理水を導入する導入部と、
   前記誘電体容器の表面と前記処理水とを遮断し、前記紫外線光を透過可能な保護部材と、
   前記処理水を前記保護部材の表面に沿って流すことにより前記誘電体容器の表面を冷却して、紫外線透過率を維持するために前記誘電体容器の表面温度を一定温度以下に調整する温度調整手段と
   を具備したことを特徴とする紫外線消毒装置。

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